JP6725293B2 - 赤外線受光素子、ガスセンサ - Google Patents
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Description
赤外線受光素子では、半導体が赤外線を吸収することによって生じた電子及び正孔が、半導体層中のPN接合(または、PIN接合)の空乏層における内部電界によって分離されることで、電気信号に変換される(例えば、特許文献1、2参照)。赤外線受光素子を使用した量子型の赤外線センサは、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等の分野で使用されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、S/N比の向上を可能とした赤外線受光素子とその製造方法、ガスセンサを提供することを目的とする。
(1)構成
図1は、本発明の実施形態(以下、本実施形態)に係る赤外線受光素子100の構成例を示す断面図である。図1に示すように、この赤外線受光素子100は、半導体基板1の一方の面(以下、表面)1a側に設けられた第1メサ部10と、半導体基板1の表面1a側であって第1メサ部10の下方に設けられた第2メサ部20と、第1メサ部10の上面10a及び側面10bと、第2メサ部20の上面20a及び側面20bとを連続して覆っている絶縁膜30と、絶縁膜30に設けられた第1コンタクトホール35を通して第1メサ部10の上面に接合された第1電極部41と、を備える。
なお、図1では、半導体基板1の表面1a側に、赤外線受光素子100を覆うパッシベーション膜50が設けられている状態を示している。パッシベーション膜50は絶縁性の保護膜である。
例えば、第1メサ部10は、第1半導体層11の上側部位112と、第2半導体層12と、第1半導体層11と第2半導体層12との間に位置する真性の第3半導体層13と、を含む。また、第2メサ部20は、第1半導体層11の下側部位111を含む。
このように、第1メサ部10は、第1半導体層11と第2半導体層12との間に、PN接合又はPIN接合のフォトダイオード構造を有する。なお、本実施形態において、半導体基板1の表面1a及び裏面1bと、第1メサ部10の上面10aは、互いに平行(または、略平行)となっている。
第1電極部41は、第1メサ部10の上面10aを覆っている。例えば、第1電極部41は、第1メサ部10の上面10aの面積の60%以上を覆っていることが望ましく、上面10aの面積の65%以上を覆っていることがより望ましく、上面10aの面積の100%を覆っている(つまり、上面10a全体を覆っている)ことがさらに望ましい。後述の図6では、第1電極部41aが第1メサ部10の上面10a全体を覆っている場合を示している。
図2(a)及び(b)に示すように、第1メサ部10の側面10bは、第1メサ部10の上面10aに近い側に位置する第1の側面101bと、第1の側面101bよりも第1メサ部10の上面10aから遠い側(すなわち、半導体基板1に近い側)に位置する第2の側面102bと、を含む。
また、図2(b)に示すように、第1メサ部10の上面から第2メサ部の上面に向かう方向において、第1の側面101bの長さをL1とし、第2の側面102bの長さをL2としたとき、L1とL2の長さの比は、L1:L2=0.1:9.9 〜 4:6の範囲内である。生産効率に鑑みると、L1:L2=0.1:9.9 〜 3:7の範囲内であることが好ましくさらにL1:L2=0.1:9.9 〜 1.5:8.5の範囲内であることが好ましい。
次に、図1に示した赤外線受光素子100の製造方法について説明する。
図4(a)〜図5(b)は、本実施形態に係る赤外線受光素子100の製造方法を工程順に示す断面図である。
図4(a)に示すように、まず、半導体基板1の表面側に第1導電型の第1半導体層11を形成する。次に、第1半導体層11上に真性の第3半導体層13を形成する。そして、第3半導体層13上に第2導電型の第2導電型の第2半導体層12を形成する。つまり、半導体基板1上に、第1半導体層11、第3半導体層13及び第2半導体層12を、この順で成膜する。第1半導体層11、第3半導体層13及び第2半導体層12の成膜は、例えば、エピタキシャル成長装置のチャンバ内で、予め設定した真空度を保持したまま連続して行う。
次に、図4(b)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第2半導体層12膜上に第1のレジストパターン51を形成する。なお、第1のレジストパターン51を形成する前に、第2半導体層12上に酸化膜等を形成して、第1のレジストパターン51が第2半導体層12に直に接触しないようにしてもよい。
次に、第1のレジストパターン51をマスクに、第2半導体層12、第3半導体層13及び第1半導体層11の上側部位とに順次ドライエッチング処理(例えば、プラズマエッチング処理)を施す。これにより、図4(c)に示すように、第1メサ部10を形成する。
なお、このエッチング処理では、第1半導体層11の下側部位111は半導体基板1の表面1a上に残しておく。エッチング処理後、第1のレジストパターンを除去する。
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第1メサ部10とその周辺部を覆うレジストパターン又はハードマスクパターン(図示せず)を形成し、第1半導体層11の下側部位111にドライエッチング処理を施す。
これにより、図5(a)に示すように、第1メサ部10下に第2メサ部20が形成されるとともに、第1メサ部10及び第2メサ部20を含むメサ積層体が、隣り合う他のメサ積層体から電気的に分離される(すなわち、素子分離される)。
次に、半導体基板1の上方全体に絶縁膜30を形成して、第1メサ部10及び第2メサ部20を覆う。
次に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、絶縁膜30のうちの第1メサ部10の上面10aを覆う部分に第1コンタクトホールを形成するとともに、第2メサ部20の上面20aを覆う部分に第2コンタクトホールを形成する。
次に、半導体基板1の上方全体にAu等の金属膜を形成する。金属膜の形成は、スパッタリング等で行う。また、この金属膜を形成する工程では、その下地膜としてバリアメタル層を形成してもよい。Au等の金属膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、金属膜を電極・配線形状にパターニングする。これにより、図5(b)に示すように、第1コンタクトホールを埋め込んで第1メサ部10の上面10aに接合した第1電極部41と、第2コンタクトホールを埋め込んで第2メサ部20の上面20aに接合した第2電極部42と、第1電極部41及び第2電極部42にそれぞれ接続する配線部43とを形成する。
その後、半導体基板1に対してダイシングし、個別の赤外線受光素子としてもよく、また、ダイシング後に、パッケージ工程を有していてもよい。
さらに、赤外線発光部と、外部からガスを導入する筐体と、パッケージされた赤外線受光素子とを組み立てて、ガスセンサとしてもよい。
図6は、本実施形態に係る赤外線センサ200の構成例を示す平面図である。
図6に示すように、本実施形態に係る赤外線センサ200は、図1に示した赤外線受光素子100を複数個有する。例えば、複数個の赤外線受光素子100は同一の半導体基板1上に形成されている。これら複数個の赤外線受光素子100は、第1電極部41及び第2電極部42と配線部43とによって、互いに直列又は並列に接続されている。
図7は、本実施形態に係るガスセンサ300の構成例を示す模式図である。
図7に示すように、本実施形態に係るガスセンサ300は、上述した赤外線受光素子100と、赤外線を発光する赤外線発光部310と、赤外線発光部310から赤外線受光素子100に至る光路上に、外部からガスを導入することが可能な筐体320と、を備える。
なお、図7では、赤外線受光素子100を上述した赤外線センサ200に置き換えてもよい。このガスセンサ300により検出されるガスの一例として、二酸化炭素(CO2)が挙げられる。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
(1)図2(a)及び(b)に示したように、第1メサ部10の側面10bは、第1メサ部10の上面10aに近い側に位置する第1の側面101bと、第1の側面101bよりも第1メサ部10の上面10aから遠い側に位置する第2の側面102bと、を含む。そして、第1の側面101bと半導体基板1の表面1aとが成す第1の角度θ1は、第2の側面102bと半導体基板1の表面1aとが成す第2の角度θ2よりも小さい。これにより、本実施形態は、例えば図3に示した参考例と比べて、第1メサ部10の上側部位の体積を小さくすることができる。したがって、第1メサ部10の上側部位の抵抗値を大きくすることができるので、赤外線受光素子のS/N比を高めることができる。以上から、S/N比の向上を可能とした赤外線受光素子とその製造方法、ガスセンサを提供することができる。
1a 表面
1b 裏面
10 第1メサ部
10a、20a 上面
10b、20b 側面
11 第1半導体層
12 第2半導体層
13 第3半導体層
20 第2メサ部
30 絶縁膜
35 第1コンタクトホール
36 第2コンタクトホール
41 第1電極部
42 第2電極部
43 配線部
50 パッシベーション膜
51 第1のレジストパターン
100 赤外線受光素子
111 下側部位
112 上側部位
121 p+AlInSb層
122 p+InSb層
200 赤外線センサ
300 ガスセンサ
310 赤外線発光部
320 筐体
321 貫通穴
Claims (6)
- 半導体基板の一方の面側に設けられ、第1導電型の第1半導体層、及び、前記第1半導体層上に積層された第2導電型の第2半導体層を含む第1メサ部と、
前記第1メサ部の上面に形成された電極部と、を有し、
前記第1メサ部の側面は、前記第1メサ部の上面に近い側に位置する第1の側面と、前記第1の側面よりも前記第1メサ部の上面から遠い側に位置する第2の側面と、を含み、
前記第1の側面と前記半導体基板の一方の面とが成す第1の角度は、前記第2の側面と前記半導体基板の一方の面とが成す第2の角度よりも小さく、
前記第1の角度が30°以上70°以下であり、前記第2の角度が40°以上80°以下である赤外線受光素子。 - 前記第1の側面は、前記第2半導体層の上側部位の側面を含み、
前記第2の側面は、前記第2半導体層の下側部位の側面を含む請求項1に記載の赤外線受光素子。 - 前記半導体基板の一方の面側であって前記第1メサ部の下方に設けられた第2メサ部、をさらに有し、
前記第1メサ部は前記第1半導体層の上側部位を含み、
前記第2メサ部は前記第1半導体層の下側部位を含み、
前記第2メサ部の側面と前記半導体基板の一方の面とが成す第3の角度は、前記第1の角度以上、かつ90°以下である請求項1または請求項2に記載の赤外線受光素子。 - 前記第1メサ部は、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置する真性の第3半導体層、をさらに含む請求項1から請求項3の何れか一項に記載の赤外線受光素子。 - 前記第1メサ部の上面及び側面を覆う絶縁膜、をさらに有し、
前記電極部は、前記絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通して前記第1メサ部の上面に接合され、
前記電極部は、前記絶縁膜を介して、前記第1メサ部の上面から前記第1の側面を通って前記第2の側面にかけて形成されている請求項1から請求項4の何れか一項に記載の赤外線受光素子。 - 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の赤外線受光素子と、
赤外線を発光する赤外線発光部と、
前記赤外線発光部から前記赤外線受光素子に至る光路上に、外部からガスを導入することが可能な筐体と、を備えるガスセンサ。
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